25 Mac 2017
Mengembara ke kelajuan superluminal- salah satu asas ruang fiksyen sains. Walau bagaimanapun, mungkin semua orang - walaupun orang yang jauh dari fizik - tahu bahawa maksimum kelajuan yang mungkin Pergerakan objek material atau perambatan sebarang isyarat ialah kelajuan cahaya dalam vakum. Ia ditetapkan oleh huruf c dan hampir 300 ribu kilometer sesaat; nilai sebenar s = 299,792,458 m/s.
Kelajuan cahaya dalam vakum adalah salah satu pemalar fizikal asas. Kemustahilan untuk mencapai kelajuan melebihi c berikutan daripada teori khas relativiti (SRT) Einstein. Jika dapat dibuktikan bahawa penghantaran isyarat pada kelajuan superluminal adalah mungkin, teori relativiti akan jatuh. Setakat ini ini tidak berlaku, walaupun banyak percubaan untuk menyangkal larangan kewujudan kelajuan lebih besar daripada c. Walau bagaimanapun, dalam kajian eksperimen Baru-baru ini, beberapa fenomena yang sangat menarik telah ditemui, menunjukkan bahawa di bawah keadaan yang dicipta khas adalah mungkin untuk memerhatikan kelajuan superluminal dan pada masa yang sama prinsip-prinsip teori relativiti tidak dilanggar.
Sebagai permulaan, mari kita ingat aspek utama yang berkaitan dengan masalah kelajuan cahaya.
Pertama sekali: mengapa mustahil (jika keadaan biasa) melebihi had cahaya? Kerana kemudian undang-undang asas dunia kita dilanggar - undang-undang sebab akibat, yang mana kesannya tidak boleh mendahului sebab. Tiada siapa yang pernah memerhatikan bahawa, sebagai contoh, seekor beruang mula-mula mati dan kemudian ditembak oleh pemburu. Pada kelajuan melebihi c, urutan peristiwa menjadi terbalik, pita masa digulung semula. Ini mudah untuk disahkan daripada alasan mudah berikut.
Mari kita anggap bahawa kita berada di atas sejenis kapal keajaiban angkasa, bergerak lebih pantas daripada cahaya. Kemudian kami akan secara beransur-ansur mengejar cahaya yang dipancarkan oleh sumber pada masa yang lebih awal dan lebih awal. Pertama, kita akan mengejar foton yang dipancarkan, katakan, semalam, kemudian yang dipancarkan sehari sebelum semalam, kemudian seminggu, sebulan, setahun yang lalu, dan seterusnya. Jika sumber cahaya adalah cermin yang memantulkan kehidupan, maka kita akan mula-mula melihat peristiwa semalam, kemudian hari sebelum semalam, dan seterusnya. Kita boleh lihat, katakanlah, seorang lelaki tua yang beransur-ansur berubah menjadi seorang lelaki pertengahan umur, kemudian menjadi seorang lelaki muda, menjadi seorang pemuda, menjadi seorang kanak-kanak... Iaitu, masa akan berputar kembali, kita akan beralih dari masa kini ke masa lalu. Punca dan kesan kemudian akan bertukar tempat.
Walaupun perbincangan ini benar-benar mengabaikan butiran teknikal proses memerhati cahaya, dari sudut pandangan asas ia jelas menunjukkan bahawa pergerakan pada kelajuan superluminal membawa kepada situasi yang mustahil di dunia kita. Walau bagaimanapun, alam semula jadi telah menetapkan syarat yang lebih ketat: pergerakan tidak boleh dicapai bukan sahaja pada kelajuan superluminal, tetapi juga pada kelajuan kelajuan yang sama cahaya - anda hanya boleh mendekatinya. Dari teori relativiti, apabila kelajuan pergerakan meningkat, tiga keadaan timbul: jisim objek bergerak meningkat, saiznya dalam arah pergerakan berkurangan, dan aliran masa pada objek ini menjadi perlahan (dari titik pandangan pemerhati "berehat" luar). Pada kelajuan biasa, perubahan ini boleh diabaikan, tetapi apabila ia menghampiri kelajuan cahaya, ia menjadi semakin ketara, dan dalam had - pada kelajuan yang sama dengan c - jisim menjadi tidak terhingga besar, objek kehilangan saiz sepenuhnya ke arah pergerakan dan masa terhenti di atasnya. Oleh itu, tiada badan material boleh mencapai kelajuan cahaya. Hanya cahaya itu sendiri yang mempunyai kelajuan sedemikian! (Dan juga zarah "semua menembusi" - neutrino, yang, seperti foton, tidak boleh bergerak pada kelajuan kurang daripada c.)
Sekarang mengenai kelajuan penghantaran isyarat. Di sini adalah sesuai untuk menggunakan perwakilan cahaya dalam bentuk gelombang elektromagnet. Apakah isyarat? Ini adalah beberapa maklumat yang perlu dihantar. Sempurna gelombang elektromagnet- ini ialah sinusoid tak terhingga dengan satu frekuensi, dan ia tidak boleh membawa sebarang maklumat, kerana setiap tempoh sinusoid sedemikian betul-betul mengulangi yang sebelumnya. Kelajuan pergerakan fasa gelombang sinus - yang dipanggil kelajuan fasa - boleh, dalam keadaan tertentu, melebihi kelajuan cahaya dalam vakum dalam medium. Tiada sekatan di sini, kerana kelajuan fasa bukanlah kelajuan isyarat - ia belum wujud lagi. Untuk membuat isyarat, anda perlu membuat beberapa jenis "tanda" pada gelombang. Tanda sedemikian boleh, sebagai contoh, perubahan dalam mana-mana parameter gelombang - amplitud, frekuensi atau fasa awal. Tetapi sebaik sahaja tanda dibuat, gelombang kehilangan sinusoidalnya. Ia menjadi termodulat, terdiri daripada satu set gelombang sinus mudah dengan amplitud, frekuensi dan fasa awal yang berbeza - sekumpulan gelombang. Kelajuan di mana tanda bergerak dalam gelombang termodulat ialah kelajuan isyarat. Apabila merambat dalam medium, kelajuan ini biasanya bertepatan dengan kelajuan kumpulan, yang mencirikan perambatan kumpulan gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat "Sains dan Kehidupan" No. 2, 2000). Di bawah keadaan biasa, halaju kumpulan, dan oleh itu kelajuan isyarat, adalah kurang daripada kelajuan cahaya dalam vakum. Ia bukan secara kebetulan bahawa ungkapan "dalam keadaan biasa" digunakan di sini, kerana dalam beberapa kes halaju kumpulan mungkin melebihi c atau bahkan kehilangan maknanya, tetapi kemudian ia tidak merujuk kepada perambatan isyarat. Stesen servis menetapkan bahawa adalah mustahil untuk menghantar isyarat pada kelajuan lebih daripada c.
Kenapa jadi begini? Kerana halangan kepada penghantaran sebarang isyarat pada kelajuan yang lebih besar daripada c adalah hukum sebab akibat yang sama. Cuba kita bayangkan keadaan sedemikian. Pada satu titik A, denyar cahaya (peristiwa 1) menghidupkan peranti yang menghantar isyarat radio tertentu, dan pada titik jauh B, di bawah pengaruh isyarat radio ini, letupan berlaku (peristiwa 2). Jelas bahawa peristiwa 1 (suar) adalah punca, dan peristiwa 2 (letupan) adalah akibat yang berlaku. alasan kemudian. Tetapi jika isyarat radio disebarkan pada kelajuan superluminal, pemerhati berhampiran titik B mula-mula akan melihat letupan, dan hanya selepas itu punca letupan yang sampai kepadanya pada kelajuan kilat cahaya. Dalam erti kata lain, bagi pemerhati ini, peristiwa 2 akan berlaku lebih awal daripada peristiwa 1, iaitu, kesannya akan mendahului punca.
Adalah wajar untuk menekankan bahawa "larangan superluminal" teori relativiti hanya dikenakan pada pergerakan. badan material dan penghantaran isyarat. Dalam banyak situasi, pergerakan pada sebarang kelajuan adalah mungkin, tetapi ini bukan pergerakan objek atau isyarat material. Sebagai contoh, bayangkan dua pembaris yang agak panjang terletak dalam satah yang sama, satu daripadanya terletak secara mendatar, dan satu lagi bersilang pada sudut yang kecil. Jika pembaris pertama digerakkan ke bawah (dalam arah yang ditunjukkan oleh anak panah) pada kelajuan tinggi, titik persilangan pembaris boleh dibuat berjalan sepantas yang dikehendaki, tetapi titik ini bukan badan material. Contoh lain: jika anda mengambil lampu suluh (atau, katakan, laser yang menghasilkan pancaran sempit) dan dengan cepat menggambarkan arka di udara, maka kelajuan linear pancaran cahaya akan bertambah dengan jarak dan cukup jarak yang jauh akan melebihi c. Titik cahaya akan bergerak antara titik A dan B pada kelajuan superluminal, tetapi ini bukan penghantaran isyarat dari A ke B, kerana titik cahaya sedemikian tidak membawa sebarang maklumat tentang titik A.
Nampaknya isu kelajuan superluminal telah diselesaikan. Tetapi pada tahun 60-an abad kedua puluh, ahli fizik teori mengemukakan hipotesis tentang kewujudan zarah superluminal yang dipanggil tachyon. Ini adalah zarah yang sangat pelik: secara teorinya ia mungkin, tetapi untuk mengelakkan percanggahan dengan teori relativiti, mereka perlu diberikan jisim rehat khayalan. Secara fizikal, jisim khayalan tidak wujud; ia adalah abstraksi matematik semata-mata. Walau bagaimanapun, ini tidak menyebabkan banyak penggera, kerana tachyon tidak boleh diam - ia wujud (jika wujud!) hanya pada kelajuan melebihi kelajuan cahaya dalam vakum, dan dalam kes ini jisim tachyon ternyata nyata. Terdapat beberapa analogi di sini dengan foton: foton mempunyai jisim rehat sifar, tetapi ini bermakna foton tidak boleh diam - cahaya tidak boleh dihentikan.
Perkara yang paling sukar ternyata, seperti yang dijangkakan, untuk mendamaikan hipotesis tachyon dengan hukum kausalitas. Percubaan yang dilakukan ke arah ini, walaupun agak bijak, tidak membawa kepada kejayaan yang jelas. Tiada siapa yang dapat mendaftarkan tachyon secara eksperimen sama ada. Akibatnya, minat terhadap takyon sebagai zarah asas superluminal beransur pudar.
Walau bagaimanapun, pada tahun 60-an, satu fenomena telah ditemui secara eksperimen yang pada mulanya mengelirukan ahli fizik. Ini diterangkan secara terperinci dalam artikel oleh A. N. Oraevsky "Gelombang superluminal dalam media menguatkan" (UFN No. 12, 1998). Di sini kami akan meringkaskan secara ringkas intipati perkara itu, merujuk pembaca yang berminat dengan butiran kepada artikel yang ditentukan.
Tidak lama selepas penemuan laser - pada awal 60-an - masalah timbul untuk mendapatkan denyutan cahaya yang pendek (tempoh kira-kira 1 ns = 10-9 s) kuasa tinggi. Untuk melakukan ini, nadi laser pendek disalurkan melalui penguat kuantum optik. Nadi dipecahkan kepada dua bahagian oleh cermin membelah rasuk. Salah satu daripadanya, lebih berkuasa, dihantar ke penguat, dan yang lain disebarkan di udara dan berfungsi sebagai nadi rujukan yang boleh dibandingkan dengan nadi yang melalui penguat. Kedua-dua denyutan disalurkan kepada pengesan foto, dan isyarat keluarannya boleh dilihat secara visual pada skrin osiloskop. Dijangkakan bahawa nadi cahaya yang melalui penguat akan mengalami sedikit kelewatan berbanding dengan nadi rujukan, iaitu, kelajuan perambatan cahaya dalam penguat akan kurang daripada di udara. Bayangkan kehairanan para penyelidik apabila mereka mendapati bahawa nadi merambat melalui penguat pada kelajuan bukan sahaja lebih besar daripada di udara, tetapi juga beberapa kali lebih tinggi daripada kelajuan cahaya dalam vakum!
Setelah pulih dari kejutan pertama, ahli fizik mula mencari sebab untuk keputusan yang tidak dijangka itu. Tiada siapa yang mempunyai keraguan sedikit pun tentang prinsip teori relativiti khas, dan inilah yang membantu untuk mencari penjelasan yang betul: jika prinsip SRT dipelihara, maka jawapannya harus dicari dalam sifat-sifat medium penguat.
Tanpa perincian di sini, kami hanya akan menunjukkannya analisis terperinci mekanisme tindakan medium meningkatkan sepenuhnya menjelaskan keadaan. Intinya ialah perubahan dalam kepekatan foton semasa penyebaran nadi - perubahan yang disebabkan oleh perubahan dalam keuntungan medium sehingga nilai negatif semasa laluan bahagian belakang nadi, apabila medium sudah menyerap tenaga, kerana rizabnya sendiri telah digunakan kerana pemindahannya ke nadi cahaya. Penyerapan tidak menyebabkan peningkatan, tetapi kelemahan impuls, dan dengan itu impuls diperkuat di bahagian depan dan lemah di bahagian belakang. Bayangkan kita sedang memerhati denyutan menggunakan peranti yang bergerak pada kelajuan cahaya dalam medium penguat. Sekiranya medium itu telus, kita akan melihat impuls beku dalam keadaan tidak bergerak. Dalam persekitaran di mana proses yang disebutkan di atas berlaku, pengukuhan tepi hadapan dan kelemahan pinggir pengerukan nadi akan kelihatan kepada pemerhati sedemikian rupa sehingga medium seolah-olah telah menggerakkan nadi ke hadapan. Tetapi oleh kerana peranti (pemerhati) bergerak pada kelajuan cahaya, dan impuls mengatasinya, maka kelajuan impuls melebihi kelajuan cahaya! Kesan inilah yang direkodkan oleh penguji. Dan di sini benar-benar tidak ada percanggahan dengan teori relativiti: proses penguatan adalah sedemikian rupa sehingga kepekatan foton yang keluar lebih awal ternyata lebih besar daripada yang keluar kemudian. Ia bukan foton yang bergerak pada kelajuan superluminal, tetapi sampul nadi, khususnya maksimumnya, yang diperhatikan pada osiloskop.
Oleh itu, walaupun dalam media biasa sentiasa terdapat kelemahan cahaya dan penurunan kelajuannya, ditentukan oleh indeks biasan, dalam media laser aktif bukan sahaja terdapat penguatan cahaya, tetapi juga perambatan nadi pada kelajuan superluminal.
Sesetengah ahli fizik cuba membuktikan secara eksperimen kehadiran gerakan superluminal semasa kesan terowong - salah satu fenomena yang paling menakjubkan dalam mekanik kuantum. Kesan ini terdiri daripada fakta bahawa mikrozarah (lebih tepat, mikroobjek yang, dalam keadaan berbeza, mempamerkan kedua-dua sifat zarah dan sifat gelombang) mampu menembusi apa yang dipanggil halangan potensi - fenomena yang adalah mustahil sama sekali dalam mekanik klasik(di mana analoginya adalah situasi berikut: bola yang dibaling ke dinding akan berakhir di sisi lain dinding, atau gerakan seperti gelombang yang diberikan pada tali yang diikat pada dinding akan dipindahkan ke tali yang diikat ke dinding di sebelah sana). Intipati kesan terowong dalam mekanik kuantum adalah seperti berikut. Jika objek mikro dengan tenaga tertentu bertemu dalam perjalanannya kawasan dengan tenaga berpotensi melebihi tenaga objek mikro, kawasan ini merupakan penghalang untuknya, yang ketinggiannya ditentukan oleh perbezaan tenaga. Tetapi objek mikro "bocor" melalui penghalang! Kemungkinan ini diberikan kepadanya oleh hubungan ketidakpastian Heisenberg yang terkenal, yang ditulis untuk tenaga dan masa interaksi. Jika interaksi objek mikro dengan penghalang berlaku dalam masa yang agak tertentu, maka tenaga objek mikro akan, sebaliknya, dicirikan oleh ketidakpastian, dan jika ketidakpastian ini adalah mengikut susunan ketinggian halangan, maka yang terakhir tidak lagi menjadi halangan yang tidak dapat diatasi untuk objek mikro. Ia adalah kelajuan penembusan melalui halangan berpotensi yang telah menjadi subjek penyelidikan oleh beberapa ahli fizik, yang percaya bahawa ia boleh melebihi c.
Pada Jun 1998, satu simposium antarabangsa mengenai masalah pergerakan superluminal, di mana keputusan yang diperolehi di empat makmal telah dibincangkan - di Berkeley, Vienna, Cologne dan Florence.
Dan akhirnya, pada tahun 2000, laporan muncul mengenai dua eksperimen baru di mana kesan penyebaran superluminal muncul. Salah satunya dilakukan oleh Lijun Wong dan rakan-rakannya di Princeton Research Institute (AS). Hasilnya ialah denyutan cahaya yang memasuki ruang yang diisi dengan wap cesium meningkatkan kelajuannya sebanyak 300 kali ganda. Ternyata bahagian utama nadi keluar dari dinding jauh ruang lebih awal daripada nadi memasuki ruang melalui dinding depan. Keadaan ini bercanggah bukan sahaja akal, tetapi, pada dasarnya, teori relativiti.
Mesej L. Wong menyebabkan perbincangan sengit di kalangan ahli fizik, yang kebanyakannya tidak cenderung untuk melihat pelanggaran prinsip relativiti dalam keputusan yang diperolehi. Cabarannya, mereka percaya, adalah untuk menerangkan eksperimen ini dengan betul.
Dalam eksperimen L. Wong, nadi cahaya yang memasuki ruang dengan wap cesium mempunyai tempoh kira-kira 3 μs. Atom sesium boleh wujud dalam enam belas keadaan mekanikal kuantum yang mungkin, dipanggil "subparas magnet hiperfine keadaan tanah." Menggunakan pengepaman laser optik, hampir semua atom dibawa masuk ke dalam hanya satu daripada enam belas keadaan ini, sepadan dengan hampir sifar mutlak suhu pada skala Kelvin (-273.15°C). Panjang ruang cesium ialah 6 sentimeter. Dalam vakum, cahaya bergerak 6 sentimeter dalam 0.2 ns. Seperti yang ditunjukkan oleh ukuran, nadi cahaya melalui ruang dengan cesium dalam masa yang 62 ns kurang daripada dalam vakum. Dalam erti kata lain, masa yang diambil untuk nadi melalui medium cesium mempunyai tanda tolak! Sesungguhnya, jika kita menolak 62 ns daripada 0.2 ns, kita mendapat masa "negatif". "kelewatan negatif" dalam medium ini - lompatan masa yang tidak dapat difahami - adalah sama dengan masa di mana nadi akan membuat 310 melalui ruang dalam vakum. Akibat daripada "pembalikan temporal" ini ialah nadi yang keluar dari bilik berjaya bergerak sejauh 19 meter darinya sebelum nadi yang masuk mencapai dinding berhampiran ruang. Bagaimanakah keadaan yang luar biasa itu dapat dijelaskan (melainkan, sudah tentu, kita meragui kesucian eksperimen)?
Berdasarkan perbincangan yang berterusan, penjelasan yang tepat masih belum ditemui, tetapi tidak ada keraguan bahawa sifat penyebaran luar biasa medium memainkan peranan di sini: wap sesium, yang terdiri daripada atom yang teruja oleh cahaya laser, adalah medium dengan penyebaran anomali . Mari kita ingat secara ringkas apa itu.
Penyerakan sesuatu bahan ialah pergantungan indeks biasan fasa (biasa) n pada panjang gelombang cahaya l. Dengan penyebaran biasa, indeks biasan meningkat dengan pengurangan panjang gelombang, dan ini berlaku dalam kaca, air, udara dan semua bahan lain yang telus kepada cahaya. Dalam bahan yang menyerap cahaya dengan kuat, perjalanan indeks biasan dengan perubahan dalam panjang gelombang diterbalikkan dan menjadi lebih curam: dengan penurunan l (meningkatkan frekuensi w), indeks biasan berkurangan secara mendadak dan dalam kawasan panjang gelombang tertentu menjadi kurang daripada kesatuan ( halaju fasa Vf > s ). Ini adalah penyebaran anomali, di mana corak perambatan cahaya dalam bahan berubah secara radikal. Halaju kumpulan Vgr menjadi lebih besar daripada halaju fasa gelombang dan boleh melebihi kelajuan cahaya dalam vakum (dan juga menjadi negatif). L. Wong menunjukkan keadaan ini sebagai sebab yang mendasari kemungkinan menjelaskan keputusan eksperimennya. Walau bagaimanapun, perlu diperhatikan bahawa keadaan Vgr > c adalah formal semata-mata, kerana konsep halaju kumpulan diperkenalkan untuk kes penyebaran kecil (normal), untuk media lutsinar, apabila sekumpulan gelombang hampir tidak berubah bentuknya. semasa pembiakan. Di kawasan penyebaran anomali, nadi cahaya berubah bentuk dengan cepat dan konsep halaju kumpulan kehilangan maknanya; dalam kes ini, konsep kelajuan isyarat dan kelajuan perambatan tenaga diperkenalkan, yang dalam media telus bertepatan dengan kelajuan kumpulan, dan dalam media dengan penyerapan kekal kurang daripada kelajuan cahaya dalam vakum. Tetapi inilah yang menarik tentang eksperimen Wong: nadi ringan, melalui medium dengan penyebaran anomali, tidak cacat - ia betul-betul mengekalkan bentuknya! Dan ini sepadan dengan andaian bahawa impuls merambat dengan halaju kumpulan. Tetapi jika ya, maka ternyata tidak ada penyerapan dalam medium, walaupun penyebaran anomali medium adalah disebabkan oleh penyerapan! Wong sendiri, sambil mengakui masih banyak yang tidak jelas, percaya bahawa apa yang berlaku dalam persediaan eksperimennya boleh, pada anggaran pertama, dijelaskan dengan jelas dengan cara berikut.
Nadi cahaya terdiri daripada banyak komponen dengan panjang gelombang (frekuensi) yang berbeza. Rajah menunjukkan tiga daripada komponen ini (gelombang 1-3). Pada satu ketika, ketiga-tiga gelombang berada dalam fasa (maksimumnya bertepatan); di sini mereka, menambah, menguatkan satu sama lain dan membentuk dorongan. Apabila ia terus merambat di angkasa, gelombang menjadi defasa dan dengan itu "membatalkan" satu sama lain.
Di kawasan penyebaran anomali (di dalam sel cesium), gelombang yang lebih pendek (gelombang 1) menjadi lebih panjang. Sebaliknya, gelombang yang terpanjang daripada ketiga-tiga (gelombang 3) menjadi yang terpendek.
Akibatnya, fasa gelombang berubah dengan sewajarnya. Apabila gelombang telah melalui sel cesium, muka gelombangnya dipulihkan. Setelah menjalani modulasi fasa yang luar biasa dalam bahan dengan serakan anomali, ketiga-tiga gelombang yang dimaksudkan sekali lagi mendapati diri mereka berada dalam fasa pada satu ketika. Di sini mereka menjumlahkan semula dan membentuk nadi dengan bentuk yang sama seperti yang memasuki medium cesium.
Biasanya dalam udara, dan sebenarnya dalam mana-mana medium lutsinar dengan penyebaran biasa, nadi cahaya tidak dapat mengekalkan bentuknya dengan tepat apabila merambat pada jarak jauh, iaitu, semua komponennya tidak boleh berperingkat pada mana-mana titik yang jauh di sepanjang laluan perambatan. Dan dalam keadaan biasa, denyutan cahaya muncul pada titik yang begitu jauh selepas beberapa ketika. Walau bagaimanapun, disebabkan sifat anomali medium yang digunakan dalam eksperimen, nadi pada titik terpencil ternyata berfasa dengan cara yang sama seperti semasa memasuki medium ini. Oleh itu, nadi cahaya berkelakuan seolah-olah ia mempunyai kelewatan masa negatif dalam perjalanan ke titik yang jauh, iaitu, ia akan tiba di sana tidak lewat, tetapi lebih awal daripada ia melalui medium!
Kebanyakan ahli fizik cenderung untuk mengaitkan keputusan ini dengan penampilan prekursor intensiti rendah dalam medium penyebaran ruang. Hakikatnya ialah semasa penguraian spektrum nadi, spektrum mengandungi komponen frekuensi tinggi yang sewenang-wenangnya dengan amplitud yang sangat kecil, yang dipanggil prekursor, mendahului "bahagian utama" nadi. Sifat penubuhan dan bentuk prekursor bergantung pada hukum penyebaran dalam medium. Dengan ini, urutan peristiwa dalam eksperimen Wong dicadangkan untuk ditafsirkan seperti berikut. Gelombang masuk, "meregangkan" pertanda di hadapan dirinya, menghampiri kamera. Sebelum puncak gelombang masuk mencecah dinding berhampiran ruang, prekursor memulakan penampilan nadi dalam ruang, yang mencapai dinding jauh dan dipantulkan daripadanya, membentuk "gelombang terbalik." Gelombang ini, merambat 300 kali lebih cepat daripada c, mencapai dinding berhampiran dan bertemu dengan gelombang masuk. Puncak satu gelombang bertemu palung gelombang yang lain, sehingga mereka membinasakan antara satu sama lain dan akibatnya tiada apa-apa lagi. Ternyata gelombang masuk "membayar balik hutang" kepada atom cesium, yang "meminjamkan" tenaga kepadanya di hujung ruang yang lain. Sesiapa yang menonton hanya permulaan dan akhir percubaan akan melihat hanya denyutan cahaya yang "melompat" ke hadapan dalam masa, bergerak lebih laju daripada c.
L. Wong percaya bahawa eksperimennya tidak konsisten dengan teori relativiti. Pernyataan tentang ketidakupayaan kelajuan superluminal, dia percaya, hanya terpakai kepada objek dengan jisim rehat. Cahaya boleh diwakili sama ada dalam bentuk gelombang, yang mana konsep jisim umumnya tidak boleh digunakan, atau dalam bentuk foton dengan jisim rehat, seperti yang diketahui, sama dengan sifar. Oleh itu, kelajuan cahaya dalam vakum, menurut Wong, bukanlah hadnya. Bagaimanapun, Wong mengakui bahawa kesan yang ditemuinya tidak memungkinkan untuk menghantar maklumat pada kelajuan lebih daripada c.
"Maklumat di sini sudah terkandung dalam bahagian depan nadi," kata P. Milonni, seorang ahli fizik di Los Alamos National Laboratory di Amerika Syarikat. "Dan ia boleh memberikan gambaran menghantar maklumat lebih cepat daripada cahaya, walaupun semasa anda tidak menghantarnya.”
Kebanyakan ahli fizik percaya itu pekerjaan baru tidak memberikan tamparan hebat kepada prinsip asas. Tetapi tidak semua ahli fizik percaya masalah itu telah diselesaikan. Profesor A. Ranfagni dari Itali kumpulan penyelidikan, yang menjalankan satu lagi eksperimen menarik pada tahun 2000, percaya bahawa soalan itu masih terbuka. Eksperimen ini, yang dijalankan oleh Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni dan Rocco Ruggeri, mendapati bahawa gelombang radio gelombang sentimeter dalam perjalanan udara biasa pada kelajuan 25% lebih cepat daripada c.
Untuk meringkaskan, kita boleh mengatakan perkara berikut.
Berfungsi beberapa tahun kebelakangan ini menunjukkan bahawa dalam keadaan tertentu kelajuan superluminal sebenarnya boleh berlaku. Tetapi apakah sebenarnya yang bergerak pada kelajuan superluminal? Teori relativiti, seperti yang telah disebutkan, melarang kelajuan sedemikian untuk badan material dan untuk isyarat yang membawa maklumat. Walau bagaimanapun, sesetengah penyelidik sangat gigih cuba untuk menunjukkan mengatasi halangan cahaya khusus untuk isyarat. Sebabnya terletak pada fakta bahawa teori relativiti khas tidak mempunyai justifikasi matematik yang ketat (berdasarkan, katakan, pada persamaan Maxwell untuk medan elektromagnet) kemustahilan menghantar isyarat pada kelajuan lebih daripada c. Kemustahilan sedemikian dalam STR ditubuhkan, boleh dikatakan, secara aritmetik semata-mata, berdasarkan formula Einstein untuk menambah halaju, tetapi ini secara asasnya disahkan oleh prinsip kausalitas. Einstein sendiri, mempertimbangkan isu penghantaran isyarat superluminal, menulis bahawa dalam kes ini "... kita terpaksa mempertimbangkan kemungkinan mekanisme penghantaran isyarat, di mana tindakan yang dicapai mendahului punca. Tetapi, walaupun hasil ini dari titik logik semata-mata pandangan tidak mengandungi dirinya sendiri, pada pendapat saya, tidak ada percanggahan; namun ia sangat bercanggah dengan sifat keseluruhan pengalaman kita sehingga kemustahilan andaian V > c nampaknya cukup terbukti." Prinsip kausalitas adalah asas yang mendasari kemustahilan penghantaran isyarat superluminal. Dan, nampaknya, semua carian untuk isyarat superluminal tanpa pengecualian akan tersandung pada batu ini, tidak kira berapa banyak penguji ingin mengesan isyarat sedemikian, kerana itulah sifat dunia kita.
Namun begitu, mari kita bayangkan bahawa matematik relativiti masih akan berfungsi pada kelajuan superluminal. Ini bermakna secara teorinya kita masih boleh mengetahui apa yang akan berlaku jika sesuatu badan melebihi kelajuan cahaya.
Mari bayangkan dua kapal angkasa menuju dari Bumi ke arah bintang yang berjarak 100 tahun cahaya dari planet kita. Kapal pertama meninggalkan Bumi pada 50% kelajuan cahaya, jadi ia akan mengambil masa 200 tahun untuk menyelesaikan perjalanan. Kapal kedua, dilengkapi dengan pemacu meledingkan hipotesis, akan bergerak pada 200% kelajuan cahaya, tetapi 100 tahun selepas yang pertama. Apa yang akan berlaku?
Menurut teori relativiti, jawapan yang betul bergantung pada perspektif pemerhati. Dari Bumi, nampaknya kapal pertama telah menempuh jarak yang agak jauh sebelum dipintas oleh kapal kedua, yang bergerak empat kali lebih laju. Tetapi dari sudut pandangan orang di kapal pertama, semuanya berbeza sedikit.
Kapal No. 2 bergerak lebih pantas daripada cahaya, yang bermaksud ia boleh mengatasi cahaya yang dipancarkannya sendiri. Ini menghasilkan sejenis "gelombang cahaya" (serupa dengan gelombang bunyi, tetapi bukannya getaran udara terdapat gelombang cahaya yang bergetar) yang menimbulkan beberapa kesan menarik. Ingat bahawa cahaya dari kapal #2 bergerak lebih perlahan daripada kapal itu sendiri. Hasilnya akan menjadi penggandaan visual. Dalam erti kata lain, pertama anak kapal No 1 akan melihat bahawa kapal kedua telah muncul di sebelah mereka seolah-olah entah dari mana. Kemudian, cahaya dari kapal kedua akan mencapai yang pertama dengan sedikit kelewatan, dan hasilnya akan menjadi salinan yang boleh dilihat yang akan bergerak ke arah yang sama dengan sedikit ketinggalan.
Sesuatu yang serupa boleh dilihat dalam permainan komputer apabila, akibat kegagalan sistem, enjin memuatkan model dan algoritmanya ke dalam titik akhir pergerakan lebih pantas daripada animasi itu sendiri tamat, jadi berbilang pengambilan berlaku. Ini mungkin sebab kesedaran kita tidak melihat aspek hipotesis Alam Semesta di mana badan bergerak pada kelajuan superluminal - mungkin ini adalah yang terbaik.
P.S. ... tetapi dalam contoh terakhir Saya tidak faham sesuatu, mengapa kedudukan sebenar kapal itu dikaitkan dengan "cahaya yang dipancarkan olehnya"? Nah, walaupun mereka melihatnya di tempat yang salah, sebenarnya dia akan memintas kapal pertama!
sumber
Had kelajuan atas diketahui walaupun oleh kanak-kanak sekolah: setelah menghubungkan jisim dan tenaga dengan formula terkenal E = mc 2, kembali pada awal abad kedua puluh dia menunjukkan kemustahilan asas apa-apa dengan pergerakan jisim di angkasa lebih cepat daripada kelajuan cahaya dalam vakum. Walau bagaimanapun, formulasi ini sudah mengandungi kelemahan yang boleh dipintas oleh beberapa fenomena fizikal dan zarah. Sekurang-kurangnya kepada fenomena yang wujud dalam teori.
Celah pertama berkenaan dengan perkataan "jisim": Sekatan Einstein tidak terpakai kepada zarah tak berjisim. Mereka juga tidak terpakai pada beberapa media yang agak padat, di mana kelajuan cahaya boleh menjadi jauh lebih rendah daripada dalam vakum. Akhirnya, dengan penggunaan tenaga yang mencukupi, ruang itu sendiri boleh berubah bentuk setempat, membenarkan pergerakan sedemikian rupa sehingga, kepada pemerhati luar, di luar ubah bentuk ini, pergerakan kelihatan lebih pantas daripada kelajuan cahaya.
Beberapa fenomena "kelajuan tinggi" dan zarah fizik ini kerap direkodkan dan diterbitkan semula di makmal, malah digunakan dalam amalan, dalam instrumen dan peranti berteknologi tinggi. Para saintis masih cuba menemui orang lain yang diramalkan secara teori dalam realiti, dan bagi yang lain mereka mempunyai rancangan besar: mungkin suatu hari nanti fenomena ini akan membolehkan kita bergerak dengan bebas di seluruh Alam Semesta, bahkan tidak terhad oleh kelajuan cahaya.
Teleportasi kuantum
Status: sedang berkembang secara aktif
Makhluk hidup ialah contoh teknologi yang baik yang secara teorinya dibenarkan, tetapi secara praktikal, nampaknya, tidak pernah dapat dilaksanakan. Tetapi kalau kita bercakap tentang teleportasi, iaitu, pergerakan serta-merta objek kecil, dan terutamanya zarah, dari satu tempat ke tempat lain, adalah agak mungkin. Untuk memudahkan tugas, mari kita mulakan dengan sesuatu yang mudah - zarah.
Nampaknya kita memerlukan peranti yang (1) akan memerhati sepenuhnya keadaan zarah, (2) menghantar keadaan ini lebih cepat daripada kelajuan cahaya, (3) memulihkan asal.
Walau bagaimanapun, dalam skim sedemikian, walaupun langkah pertama tidak dapat dilaksanakan sepenuhnya. Prinsip ketidakpastian Heisenberg mengenakan sekatan yang tidak dapat diatasi ke atas ketepatan parameter "berpasangan" zarah boleh diukur. Sebagai contoh, lebih baik kita mengetahui momentumnya, lebih teruk kita mengetahui koordinatnya, dan begitu juga sebaliknya. Namun begitu ciri penting teleportasi kuantum ialah, sebenarnya, tidak perlu mengukur zarah, sama seperti tidak perlu memulihkan apa-apa - ia sudah cukup untuk mendapatkan sepasang zarah terjerat.
Sebagai contoh, untuk menyediakan foton terjerat sedemikian, kita perlu menerangi kristal tak linear dengan sinaran laser pada panjang gelombang tertentu. Kemudian beberapa foton yang masuk akan mereput menjadi dua foton yang terikat - bersambung secara tidak dapat dijelaskan, supaya sebarang perubahan dalam keadaan satu serta-merta menjejaskan keadaan yang lain. Hubungan ini benar-benar tidak dapat dijelaskan: mekanisme keterikatan kuantum kekal tidak diketahui, walaupun fenomena itu sendiri telah dan sedang ditunjukkan secara berterusan. Tetapi ini adalah fenomena di mana ia sangat mudah untuk dikelirukan - cukup untuk menambah bahawa sebelum pengukuran, tiada zarah ini mempunyai ciri yang diperlukan, dan tidak kira apa keputusan yang kita dapat dengan mengukur yang pertama, keadaan yang kedua akan pelik berkorelasi dengan keputusan kami.
Mekanisme teleportasi kuantum, yang dicadangkan pada tahun 1993 oleh Charles Bennett dan Gilles Brassard, memerlukan penambahan hanya seorang peserta tambahan kepada sepasang zarah terjerat - sebenarnya, yang akan kita teleport. Pengirim dan penerima biasanya dipanggil Alice dan Bob, dan kami akan mengikuti tradisi ini dengan memberikan setiap daripada mereka satu daripada foton terjerat. Sebaik sahaja mereka dipisahkan dengan jarak yang baik dan Alice memutuskan untuk memulakan teleportasi, dia mengambil foton yang dikehendaki dan mengukur keadaannya bersama-sama dengan keadaan foton pertama yang terjerat. Tak pasti fungsi gelombang foton ini runtuh dan serta-merta bergema dalam foton terjerat kedua Bob.
Malangnya, Bob tidak tahu dengan tepat bagaimana fotonnya bertindak balas terhadap tingkah laku foton Alice: untuk memahami perkara ini, dia mesti menunggu sehingga dia menghantar hasil pengukurannya melalui mel biasa, tidak lebih laju daripada kelajuan cahaya. Oleh itu, tidak mungkin untuk menghantar sebarang maklumat melalui saluran sedemikian, tetapi hakikatnya tetap menjadi fakta. Kami teleport keadaan satu foton. Untuk beralih kepada manusia, yang tinggal hanyalah meningkatkan teknologi untuk merangkumi setiap zarah hanya 7000 trilion trilion atom badan kita - nampaknya kita tidak lebih daripada satu keabadian lagi daripada kejayaan ini.
Walau bagaimanapun, teleportasi kuantum dan keterikatan kekal sebagai salah satu topik paling hangat dalam fizik moden. Pertama sekali, kerana penggunaan saluran komunikasi sedemikian menjanjikan perlindungan yang tidak boleh digodam bagi data yang dihantar: untuk mendapatkan akses kepadanya, penyerang perlu mengambil alih bukan sahaja surat daripada Alice kepada Bob, tetapi juga akses kepada zarah terjerat Bob , dan walaupun mereka berjaya mencapainya dan ukuran, ini akan mengubah keadaan foton selama-lamanya dan akan segera didedahkan.
Kesan Vavilov-Cherenkov
Status: lama digunakan
Aspek perjalanan lebih cepat daripada kelajuan cahaya ini adalah sebab yang menyenangkan untuk mengingati pencapaian saintis Rusia. Fenomena itu ditemui pada tahun 1934 oleh Pavel Cherenkov, bekerja di bawah pimpinan Sergei Vavilov, tiga tahun kemudian ia menerima justifikasi teori dalam karya Igor Tamm dan Ilya Frank, dan pada tahun 1958 semua peserta dalam karya ini, kecuali Vavilov yang kini telah meninggal. , telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam fizik.
Malah, ia hanya bercakap tentang kelajuan cahaya dalam vakum. Dalam media lutsinar lain, cahaya menjadi perlahan dengan ketara, akibatnya pembiasan dapat diperhatikan di sempadan mereka dengan udara. Indeks biasan kaca ialah 1.49, yang bermaksud bahawa kelajuan fasa cahaya di dalamnya adalah 1.49 kali kurang, dan, sebagai contoh, berlian mempunyai indeks biasan 2.42, dan kelajuan cahaya di dalamnya dikurangkan lebih daripada separuh. Tiada apa-apa yang menghalang zarah lain daripada terbang lebih cepat daripada foton cahaya.
Inilah yang berlaku kepada elektron, yang dalam eksperimen Cherenkov telah tersingkir dari tempatnya dalam molekul cecair bercahaya oleh sinaran gamma bertenaga tinggi. Mekanisme ini sering dibandingkan dengan pembentukan kejutan gelombang bunyi apabila terbang di atmosfera pada kelajuan supersonik. Tetapi anda juga boleh bayangkan ia berjalan dalam khalayak ramai: bergerak lebih pantas daripada cahaya, elektron meluru melepasi zarah lain, seolah-olah menyikatnya dengan bahu - dan untuk setiap sentimeter laluan mereka, menyebabkan mereka memancarkan dengan marah dari beberapa hingga beberapa ratus foton .
Tidak lama kemudian tingkah laku yang sama ditemui dalam semua cecair lain yang agak bersih dan telus, dan seterusnya sinaran Cherenkov direkodkan walaupun jauh di dalam lautan. Sudah tentu, foton cahaya dari permukaan benar-benar tidak sampai ke sini. Tetapi zarah ultra-pantas, yang terbang keluar dari kuantiti kecil zarah radioaktif yang mereput, dari semasa ke semasa mencipta cahaya, mungkin, sekurang-kurangnya, membolehkan penduduk tempatan melihat.
Sinaran Cherenkov–Vavilov telah menemui aplikasi dalam sains, tenaga nuklear dan bidang berkaitan. Reaktor loji tenaga nuklear bersinar terang, penuh dengan zarah laju. Dengan mengukur dengan tepat ciri-ciri sinaran ini dan mengetahui halaju fasa dalam persekitaran kerja kita, kita boleh memahami jenis zarah yang menyebabkannya. Ahli astronomi juga menggunakan pengesan Cherenkov untuk mengesan cahaya dan bertenaga zarah kosmik: yang berat amat sukar untuk dipercepatkan ke kelajuan yang diingini, dan ia tidak menghasilkan sinaran.
Buih dan lubang
Berikut adalah seekor semut yang merangkak di atas helaian kertas. Kelajuannya rendah, dan lelaki malang itu mengambil masa 10 saat untuk pergi dari tepi kiri pesawat ke kanan. Tetapi sebaik sahaja kami mengasihaninya dan membengkokkan kertas, menyambungkan tepinya, dia serta-merta "teleport" ke titik yang dikehendaki. Sesuatu yang serupa boleh dilakukan dengan ruang-masa asli kita, dengan satu-satunya perbezaan bahawa lenturan memerlukan penyertaan dimensi lain yang tidak dirasakan oleh kita, membentuk terowong ruang-masa - lubang cacing yang terkenal, atau lubang cacing.
Ngomong-ngomong, menurut teori-teori baru, lubang cacing seperti itu adalah sejenis ruang-masa yang setara dengan fenomena kuantum jalinan yang sudah biasa. Secara umum, kewujudan mereka tidak bercanggah dengan mana-mana konsep penting fizik moden, termasuk. Tetapi untuk mengekalkan terowong sedemikian dalam fabrik Alam Semesta, sesuatu yang serupa dengannya sains sebenar, ialah "bahan eksotik" hipotesis yang mempunyai ketumpatan tenaga negatif. Dalam erti kata lain, ia mestilah jenis jirim yang menyebabkan graviti... tolakan. Sukar untuk membayangkan bahawa spesies eksotik ini akan ditemui, apalagi dijinakkan.
Alternatif unik kepada lubang cacing boleh menjadi ubah bentuk ruang-masa yang lebih eksotik - pergerakan di dalam gelembung struktur melengkung kontinum ini. Idea ini telah dinyatakan pada tahun 1993 oleh ahli fizik Miguel Alcubierre, walaupun ia telah dibunyikan dalam karya penulis fiksyen sains lebih awal. Ia seperti kapal angkasa yang bergerak, memerah dan menghancurkan ruang-masa di hadapan hidungnya dan melicinkannya semula di belakang. Kapal itu sendiri dan anak kapalnya kekal di kawasan tempatan di mana ruang-masa mengekalkan geometri biasa, dan tidak mengalami sebarang kesulitan. Ini jelas dilihat dalam siri Star Trek, popular di kalangan pemimpi, di mana "enjin meledingkan" sedemikian membolehkan anda mengembara, tanpa sederhana, ke seluruh Alam Semesta.
Status: daripada hebat kepada teori
Foton adalah zarah tidak berjisim, seperti beberapa yang lain: jisim mereka semasa diam adalah sifar, dan untuk tidak hilang sepenuhnya, mereka terpaksa sentiasa bergerak, dan sentiasa pada kelajuan cahaya. Walau bagaimanapun, beberapa teori mencadangkan kewujudan zarah yang lebih eksotik - tachyon. Jisim mereka, yang muncul dalam formula kegemaran kami E = mc 2, tidak diberikan oleh nombor perdana, tetapi oleh nombor khayalan, termasuk komponen matematik khas, kuasa duanya memberikan nombor negatif. Ini adalah harta yang sangat berguna, dan penulis siri TV kegemaran kami "Star Trek" menerangkan operasi enjin hebat mereka dengan tepat dengan "memanfaatkan tenaga tachyon."
Sebenarnya, jisim khayalan melakukan yang luar biasa: tachyon mesti kehilangan tenaga apabila ia memecut, jadi bagi mereka segala-galanya dalam hidup adalah berbeza sama sekali daripada apa yang kita fikirkan dahulu. Apabila mereka berlanggar dengan atom, mereka kehilangan tenaga dan memecut, supaya perlanggaran seterusnya akan menjadi lebih kuat, yang akan menghilangkan lebih banyak tenaga dan mempercepatkan takyon sekali lagi ke infiniti. Adalah jelas bahawa penglibatan diri sedemikian hanya melanggar hubungan sebab-akibat asas. Mungkin inilah sebabnya mengapa hanya ahli teori yang mengkaji tachyon setakat ini: belum ada sesiapa yang melihat satu contoh kerosakan hubungan sebab-akibat dalam alam semula jadi, dan jika anda melihatnya, cari tachyon, dan hadiah Nobel disediakan untuk anda.
Walau bagaimanapun, ahli teori masih menunjukkan bahawa tachyon mungkin tidak wujud, tetapi pada masa lalu mereka mungkin wujud, dan, menurut beberapa idea, kemungkinan tidak berkesudahan mereka yang memainkan peranan dalam peranan penting dalam Big Bang. Kehadiran tachyon menerangkan keadaan vakum palsu yang sangat tidak stabil di mana Alam Semesta mungkin berada sebelum kelahirannya. Dalam gambaran dunia sedemikian, tachyon bergerak lebih cepat daripada cahaya adalah asas sebenar kewujudan kita, dan kemunculan Alam Semesta digambarkan sebagai peralihan medan tachyon dari vakum palsu ke dalam medan inflasi yang benar. Perlu ditambah bahawa semua ini adalah teori yang dihormati sepenuhnya, walaupun pada hakikatnya pelanggar utama undang-undang Einstein dan juga hubungan sebab-akibat ternyata menjadi pengasas semua sebab dan kesan di dalamnya.
Kelajuan kegelapan
Status: berfalsafah
Dari segi falsafah, kegelapan hanyalah ketiadaan cahaya, dan kelajuannya sepatutnya sama. Tetapi fikir dengan lebih berhati-hati: kegelapan boleh mengambil bentuk yang bergerak dengan lebih pantas. Nama borang ini ialah bayang-bayang. Bayangkan anda menggunakan jari anda untuk menunjukkan bayang anjing di dinding bertentangan. Rasuk dari lampu suluh menyimpang, dan bayang tangan anda menjadi lebih besar daripada tangan itu sendiri. Sedikit pergerakan jari sudah cukup untuk bayang-bayangnya di dinding untuk menggerakkan jarak yang ketara. Bagaimana jika kita membuat bayang-bayang pada Bulan? Atau ke skrin khayalan lebih jauh lagi?..
Gelombang yang hampir tidak ketara - dan dia akan berlari pada sebarang kelajuan, yang ditetapkan hanya oleh geometri, jadi tiada Einstein boleh memberitahunya. Walau bagaimanapun, adalah lebih baik untuk tidak bermain-main dengan bayang-bayang, kerana mereka mudah menipu kita. Perlu kembali ke permulaan dan ingat bahawa kegelapan hanyalah ketiadaan cahaya, jadi tiada objek fizikal dihantar dengan pergerakan sedemikian. Tiada zarah, tiada maklumat, tiada ubah bentuk ruang-masa, hanya ada ilusi kita bahawa ini adalah fenomena yang berasingan. Di dunia nyata, tiada kegelapan yang dapat menandingi kelajuan cahaya.
Walaupun kita boleh membina prototaip kapal yang dibayangkan oleh saintis NASA yang boleh bergerak kelajuan relativistik, dan juga akan didapati tidak senonoh musim bunga yang hebat tenaga yang diperlukan untuk melancarkannya ke langit, perjalanan kami tidak akan menyenangkan seperti yang kelihatan dari atas Millennium Falcon. Bukan teknologi yang memisahkan kita daripada peluang untuk terbang ke bintang jiran - ia hanya beberapa abad. Masalahnya ialah betapa bahayanya ruang apabila ia menjadi habitat, dan betapa rapuhnya tubuh manusia sebenarnya.
Jika kita mula bergerak pada kelajuan cahaya (300,000 km/s) di ruang antara bintang, kita akan mati dalam beberapa saat. Walaupun fakta bahawa ketumpatan jirim di angkasa adalah sangat rendah, pada kelajuan ini walaupun beberapa atom hidrogen setiap sentimeter padu akan terhempas ke haluan kapal dengan pecutan yang di Bumi hanya boleh dicapai pada Large Hadron Collider. Disebabkan ini, kita akan menerima dos sinaran bersamaan dengan sepuluh ribu sieverts sesaat. Mempertimbangkan itu dos maut bagi seseorang adalah enam sieverts, seperti pancaran radioaktif akan merosakkan kapal dan memusnahkan semua kehidupan di atas kapal.
"Jika kita mula bergerak pada kelajuan cahaya di angkasa, kita akan mati dalam beberapa saat."
Menurut penyelidikan oleh saintis dari Universiti Johns Hopkins, tidak ada perisai yang dapat melindungi kita daripada ini sinaran mengion. Sekat aluminium setebal sepuluh sentimeter dalam kes ini akan menyerap kurang daripada 1% tenaga - tetapi saiz sekat tidak boleh ditingkatkan selama-lamanya tanpa mengambil risiko kemungkinan berlepas. Walau bagaimanapun, sebagai tambahan kepada hidrogen radioaktif, kapal angkasa kita pada kelajuan cahaya akan diancam oleh hakisan yang timbul daripada kesan debu antara bintang. DALAM senario kes terbaik kita perlu bersetuju dengan 10% daripada kelajuan cahaya, yang akan menyukarkan untuk mencapai hanya bintang terdekat - Proxima Centauri. Mengambil kira jarak 4.22 tahun cahaya penerbangan sedemikian akan mengambil masa 40 tahun - iaitu, satu kehidupan manusia yang tidak lengkap.
Sinaran kosmik kekal sebagai halangan yang tidak dapat diatasi untuk kita, tetapi jika pada masa hadapan yang jauh kita dapat mengatasinya, perjalanan pada kelajuan cahaya akan menjadi pengalaman yang paling luar biasa untuk manusia. Pada kelajuan ini, masa akan menjadi perlahan, dan penuaan akan menjadi proses yang lebih panjang (lagipun, walaupun angkasawan di ISS dalam tempoh enam bulan berjaya mencapai umur 0.007 saat kurang daripada orang di Bumi). Semasa penerbangan sedemikian, medan visual kita akan bengkok, bertukar menjadi terowong. Kami akan terbang di sepanjang terowong ini ke hadapan, ke arah kilat seputih salji yang bersinar, tanpa melihat jejak bintang dan meninggalkan di belakang kami kegelapan paling gelap, kegelapan paling mutlak yang boleh anda bayangkan.
Dalam Large Hadron Collider, foton dipercepatkan kepada kelajuan 299,792,455 m/s. Ini hanya tiga meter sesaat kurang daripada kelajuan cahaya. Hanya tiga meter sesaat, tidakkah kita boleh menolaknya sedikit dan mempercepatkan foton melebihi kelajuan cahaya?
Jawapan: tidak. Malah secara teorinya, tiada objek boleh bergerak lebih pantas. Dan ada penjelasan untuk ini. Ringkasnya, segala-galanya di alam semesta bergerak pada kelajuan ini dan tidak boleh melebihinya.
Sebagai permulaan, perlu diperhatikan bahawa menurut teori relativiti, apabila kelajuan meningkat, jisim juga meningkat. Pada kelajuan rendah ini tidak ketara, tetapi apabila ia menghampiri kelajuan cahaya ia mula berkembang pesat. Ia akan menjadi lebih dan lebih sukar untuk memecut, dan tenaga seluruh alam semesta tidak akan mencukupi untuk meningkatkan kelajuan lagi.
Tetapi peningkatan jisim tidak menjelaskan segala-galanya. Contohnya, mengapa foton—zarah tak berjisim—juga boleh mencapai kelajuan cahaya? Intinya adalah pada struktur ruang dan masa, yang sering kita bayangkan secara salah. Ia bernilai bermula dari hakikat bahawa kita hidup dalam dunia empat dimensi. Selain tiga dimensi spatial, kami juga mempunyai masa.
Sebagai permulaan, mari kita ambil dunia dua dimensi, di mana paksi x ialah koordinat ruang, dan t ialah koordinat masa. Katakan beberapa objek bergerak di sepanjang paksi x. Kita boleh menunjukkan kedudukannya pada setiap saat dalam masa. Semua titik ini membentuk garis dunia yang dipanggil.
Jika sesuatu dalam keadaan diam, garis dunianya ialah garis lurus menegak; jika objek itu bergerak, maka ia condong. Semakin tinggi kelajuan, semakin tinggi lebih cerun, kerana dalam masa yang singkat ia dapat diatasi jarak yang lebih jauh. Anda juga boleh menetapkan cerun yang sepadan dengan kelajuan cahaya.
Ternyata begitu dalam realiti kita tidak ada objek pegun. Kedua-dua objek statik dan dinamik bergerak sepanjang paksi masa.
Sekarang keseronokan bermula, kita beralih ke dunia empat dimensi dan jawapan kepada persoalan mengapa mustahil untuk melebihi kelajuan cahaya. Jika ruang adalah empat dimensi, maka kelajuan juga mestilah empat dimensi. Ia dipanggil 4-kelajuan.
Pada graf kami, ini akan menjadi tangen kepada garis dunia. 
Tetapi lebih baik untuk membuat graf lain di mana komponennya akan kelihatan.
Jika anda duduk dan tidak melakukan apa-apa, anda hanya bergerak melalui masa. Pada kelajuan satu saat sesaat. Jika anda mula bergerak, komponen lain (kelajuan dalam ruang) akan muncul dan vektor 4-kelajuan akan condong. Dan ternyata saiz 4-kelajuan sentiasa sama - ia sama dengan kelajuan cahaya. Iaitu, kita semua benar-benar sentiasa bergegas melalui ruang dan masa pada 4 kelajuan yang sama. Dan kita tidak boleh menambah atau mengurangkannya. Satu-satunya kemungkinan ialah mengubah arahnya. Jika kita mula bergerak, kita tidak menambah apa-apa kepada 4-kelajuan, kita hanya mengubah kecenderungannya.
Lebih cepat kita bergerak, lebih besar cerun.
Perhatikan bahawa semakin besar kelajuan pergerakan di angkasa, semakin rendah kelajuan pergerakan dalam masa- ini adalah kesan pelebaran masa yang mana teori relativiti terkenal.
Apabila 4-kelajuan mencapai garis mendatar pada graf, ia menjadi sama dengan kelajuan cahaya. Dan tidak kira bagaimana anda membelok 4-kelajuan, ia tidak akan menjadi lebih besar. Ini adalah hadnya. Ia mengikuti secara langsung dari sifat-sifat dunia kita.
Tetapi ternyata ia mungkin; kini mereka percaya bahawa kita tidak akan dapat mengembara lebih pantas daripada cahaya..." Tetapi sebenarnya tidak benar sesiapa pun pernah percaya bahawa bergerak lebih laju daripada bunyi mustahil. Lama sebelum pesawat supersonik muncul, sudah diketahui bahawa peluru terbang lebih cepat daripada bunyi. Pada hakikatnya, kami bercakap tentang hakikat bahawa ia adalah mustahil terkawal penerbangan supersonik, dan itulah kesilapannya. Pergerakan SS adalah perkara yang sama sekali berbeza. Dari awal lagi jelas bahawa penerbangan supersonik telah terhalang masalah teknikal, yang hanya perlu diselesaikan. Tetapi adalah tidak jelas sama ada masalah yang menghalang pergerakan SS boleh diselesaikan. Teori relativiti mempunyai banyak perkara untuk diperkatakan tentang perkara ini. Sekiranya perjalanan SS atau penghantaran isyarat mungkin, maka kausalitas akan dilanggar, dan kesimpulan yang benar-benar luar biasa akan mengikuti dari ini.
Mula-mula kita akan berbincang kes mudah Pergerakan SS. Kami menyebutnya bukan kerana ia menarik, tetapi kerana ia muncul berulang kali dalam perbincangan mengenai pergerakan SS dan oleh itu perlu ditangani. Kemudian kita akan membincangkan perkara yang kita anggap kes sukar pergerakan atau komunikasi STS dan mempertimbangkan beberapa hujah terhadapnya. Akhirnya, kita akan melihat andaian yang paling serius mengenai pergerakan SS sebenar.
Pergerakan SS mudah
1. Fenomena sinaran Cherenkov
Satu cara untuk bergerak lebih cepat daripada cahaya adalah dengan memperlahankan cahaya itu sendiri terlebih dahulu! :-) Dalam vakum, cahaya bergerak dengan laju c, dan kuantiti ini ialah pemalar sejagat (lihat soalan Adakah kelajuan pemalar cahaya), dan dalam medium yang lebih tumpat seperti air atau kaca ia perlahan kepada kelajuan c/n, Di mana n ialah indeks biasan medium (1.0003 untuk udara; 1.4 untuk air). Oleh itu, zarah boleh bergerak lebih cepat di dalam air atau udara daripada cahaya bergerak ke sana. Akibatnya, sinaran Vavilov-Cherenkov berlaku (lihat soalan).
Tetapi apabila kita bercakap tentang gerakan SS, kita, sudah tentu, bermakna melebihi kelajuan cahaya dalam vakum c(299,792,458 m/s). Oleh itu, fenomena Cherenkov tidak boleh dianggap sebagai contoh pergerakan SS.
2. Daripada pihak ketiga
Jika roket A terbang menjauhi saya dengan laju 0.6c ke barat, dan yang lain B- daripada saya dengan laju 0.6c ke timur, maka jumlah jarak antara A Dan B dalam rangka rujukan saya meningkat dengan kelajuan 1.2c. Oleh itu, halaju relatif ketara yang lebih besar daripada c boleh diperhatikan "dari sisi ketiga."
Walau bagaimanapun, kelajuan sedemikian bukanlah seperti yang biasa kita fahami dengan kelajuan relatif. Kelajuan roket sebenar A berbanding dengan roket B- ini ialah kadar pertambahan jarak antara roket yang diperhatikan oleh pemerhati dalam roket B. Dua halaju mesti ditambah menggunakan formula relativistik untuk menambah halaju (lihat soalan Bagaimana untuk menambah halaju dalam relativiti separa). DALAM dalam kes ini kelajuan relatif adalah lebih kurang 0.88c, iaitu, bukan superluminal.
3. Bayang-bayang dan arnab
Fikirkan sejauh mana bayang boleh bergerak? Jika anda mencipta bayang-bayang di dinding yang jauh dengan jari anda dari lampu berdekatan, dan kemudian menggerakkan jari anda, bayang-bayang itu bergerak lebih pantas daripada jari anda. Jika jari bergerak selari dengan dinding, maka kelajuan bayang-bayang akan menjadi D/d kali kelajuan jari, di mana d- jarak dari jari ke lampu, dan D- jarak dari lampu ke dinding. Dan anda boleh mendapatkan kelajuan yang lebih besar jika dinding terletak pada sudut. Jika dinding terletak sangat jauh, maka pergerakan bayang-bayang akan ketinggalan di belakang pergerakan jari, kerana cahaya masih perlu mencapai dari jari ke dinding, tetapi kelajuan bayang-bayang akan tetap sama. bilangan kali lebih besar. Maksudnya, kelajuan bayang-bayang tidak dihadkan oleh kelajuan cahaya.
Selain bayang-bayang, arnab juga boleh bergerak lebih pantas daripada cahaya, contohnya, bintik daripada pancaran laser yang ditujukan kepada Bulan. Mengetahui bahawa jarak ke Bulan ialah 385,000 km, cuba kira kelajuan arnab dengan menggerakkan laser sedikit. Anda juga boleh berfikir tentang ombak laut, memukul pantai secara serong. Seberapa pantas titik di mana gelombang pecah boleh bergerak?
Perkara yang sama boleh berlaku dalam alam semula jadi. Sebagai contoh, pancaran cahaya dari pulsar boleh menyisir awan debu. Denyar terang mencipta cengkerang cahaya yang mengembang atau sinaran lain. Apabila ia melintasi permukaan, ia mencipta cincin cahaya yang tumbuh lebih cepat daripada kelajuan cahaya. Secara semula jadi, ini berlaku apabila nadi elektromagnet daripada kilat mencapai lapisan atas atmosfera.
Ini semua adalah contoh benda yang bergerak lebih pantas daripada cahaya, tetapi yang bukan badan fizikal. Menggunakan bayang atau arnab tidak boleh menyampaikan mesej SS, jadi komunikasi yang lebih pantas daripada cahaya tidak berfungsi. Dan sekali lagi, ini nampaknya bukan apa yang kita mahu fahami oleh pergerakan SS, walaupun menjadi jelas betapa sukarnya untuk menentukan apa sebenarnya yang kita perlukan (lihat soalan gunting FTL).
4. Pepejal
Jika anda mengambil kayu keras yang panjang dan menolak satu hujung, adakah hujung yang satu lagi bergerak masuk serta-merta atau tidak? Adakah mungkin untuk menjalankan penghantaran mesej CC dengan cara ini?
Ya ia adalah akan boleh dilakukan sekiranya pepejal tersebut wujud. Pada hakikatnya, pengaruh pukulan ke hujung kayu merebak di sepanjangnya pada kelajuan bunyi masuk bahan ini, dan kelajuan bunyi bergantung pada keanjalan dan ketumpatan bahan. Relativiti mengenakan had mutlak pada kekerasan yang mungkin bagi mana-mana jasad supaya kelajuan bunyi di dalamnya tidak boleh melebihi c.
Perkara yang sama berlaku jika anda berada dalam medan tarikan, dan mula-mula pegang tali atau tiang secara menegak di hujung atas, dan kemudian lepaskannya. Titik yang anda lepaskan akan mula bergerak serta-merta, dan hujung bawah tidak akan dapat mula jatuh sehingga pengaruh pelepasan mencapainya pada kelajuan bunyi.
Sukar untuk merumuskan teori umum bahan elastik dalam kerangka relativiti, tetapi idea asas boleh ditunjukkan menggunakan contoh mekanik Newtonian. Persamaan untuk gerakan longitudinal jasad kenyal ideal boleh didapati daripada hukum Hooke. Dalam pembolehubah jisim per unit panjang hlm dan modulus keanjalan Young Y, anjakan membujur X memenuhi persamaan gelombang.
Larutan gelombang satah bergerak mengikut kelajuan bunyi s, dan s 2 = Y/p. Persamaan ini tidak membayangkan kemungkinan pengaruh kausal merebak lebih cepat s. Oleh itu, relativiti mengenakan had teori pada magnitud keanjalan: Y < PC 2. Dalam amalan, tiada bahan yang hampir dengannya. Dengan cara ini, walaupun kelajuan bunyi dalam bahan adalah hampir c, jirim itu sendiri tidak sama sekali diwajibkan untuk bergerak pada kelajuan relativistik. Tetapi bagaimana kita tahu bahawa, pada dasarnya, tidak boleh ada bahan yang mengatasi had ini? Jawapannya ialah semua jirim terdiri daripada zarah, interaksi antara yang mematuhi model piawai zarah asas, dan dalam model ini tiada interaksi boleh merambat lebih cepat daripada cahaya (lihat di bawah tentang teori medan kuantum).
5. Kelajuan fasa
Lihat persamaan gelombang ini:
Ia mempunyai penyelesaian dalam bentuk:
Penyelesaian ini ialah gelombang sinusoidal yang bergerak dengan laju
Tetapi ini lebih cepat daripada cahaya, yang bermaksud kita mempunyai persamaan medan tachyon di tangan kita? Tidak, ini hanyalah persamaan relativistik biasa bagi zarah skalar besar!
Paradoks akan diselesaikan jika kita memahami perbezaan antara kelajuan ini, juga dipanggil kelajuan fasa vph daripada kelajuan lain yang dipanggil kelajuan kumpulan v gr yang diberikan oleh formula,
Jika larutan gelombang mempunyai sebaran frekuensi, maka ia akan berbentuk paket gelombang yang bergerak dengan kelajuan kumpulan tidak melebihi c. Hanya puncak gelombang bergerak dengan halaju fasa. Adalah mungkin untuk menghantar maklumat menggunakan gelombang sedemikian hanya pada kelajuan kumpulan, jadi kelajuan fasa memberi kita satu lagi contoh kelajuan superluminal, yang tidak boleh membawa maklumat.
7. Roket relativistik
Pengawal di Bumi memantau kapal angkasa terbang pada kelajuan 0.8 c. Mengikut teori relativiti, walaupun selepas mengambil kira anjakan isyarat Doppler dari kapal, dia akan melihat bahawa masa di atas kapal diperlahankan dan jam di sana berjalan lebih perlahan dengan faktor 0.6. Jika dia mengira hasil bagi jarak yang dilalui oleh kapal mengikut masa yang diambil, diukur dengan jam kapal, dia akan mendapat 4/3 c. Ini bermakna penumpang kapal itu bergerak melalui ruang antara bintang pada kelajuan berkesan lebih besar daripada kelajuan cahaya yang akan mereka alami jika diukur. Dari sudut pandangan penumpang kapal, jarak antara bintang tertakluk kepada penguncupan Lorentz dengan faktor yang sama iaitu 0.6 dan oleh itu mereka juga mesti menyedari bahawa ia meliputi jarak antara bintang yang diketahui pada kadar 4/3. c.
ini fenomena sebenar dan ia boleh, pada dasarnya, digunakan oleh pengembara angkasa untuk menempuh jarak yang jauh sepanjang hayat mereka. Jika mereka memecut dengan pecutan berterusan sama dengan pecutan jatuh bebas di Bumi, maka mereka bukan sahaja akan mempunyai graviti tiruan yang ideal di kapal mereka, tetapi mereka juga akan mempunyai masa untuk menyeberangi Galaxy hanya dalam 12 tahun mereka! (lihat soalan Apakah persamaan roket relativistik?)
Namun, ini bukanlah gerakan SS yang sebenar. Kelajuan berkesan dikira dari jarak dalam satu rangka rujukan dan masa dalam rangka rujukan yang lain. Ini bukan kelajuan sebenar. Hanya penumpang kapal yang mendapat manfaat daripada kelajuan ini. Penghantar, sebagai contoh, tidak akan mempunyai masa dalam hidupnya untuk melihat bagaimana mereka terbang dalam jarak yang sangat besar.
Kes kompleks pergerakan SS
9. Einstein, Podolsky, Rosen paradoks (EPR)
10. Foton maya
11. Terowong kuantum
Calon sebenar untuk pengembara SS
DALAM bahagian ini andaian spekulatif tetapi serius tentang kemungkinan diberikan Perjalanan FTL. Perkara ini tidak akan menjadi jenis perkara yang biasanya dimasukkan ke dalam Soalan Lazim, kerana ia menimbulkan lebih banyak soalan daripada yang mereka jawab. Mereka dibentangkan di sini terutamanya untuk menunjukkan bahawa penyelidikan serius sedang dijalankan ke arah ini. Hanya pengenalan ringkas diberikan kepada setiap arah. Maklumat lebih terperinci boleh didapati di Internet.
19. Takyon
Tachyon adalah zarah hipotesis, yang bergerak secara tempatan lebih pantas daripada cahaya. Untuk melakukan ini, mereka mesti mempunyai jisim khayalan, tetapi tenaga dan momentum mereka mestilah positif. Kadangkala difikirkan bahawa zarah SS sebegitu mustahil untuk dikesan, tetapi sebenarnya, tidak ada sebab untuk berfikir sedemikian. Bayang-bayang dan arnab memberitahu kami bahawa pergerakan SS belum lagi membayangkan halimunan.
Tachyon tidak pernah diperhatikan dan kebanyakan ahli fizik meragui kewujudannya. Pernah dinyatakan bahawa eksperimen telah dijalankan untuk mengukur jisim neutrino yang dipancarkan semasa pereputan Tritium, dan neutrino ini adalah tachyon. Ini sangat diragui, tetapi masih tidak dikecualikan. Terdapat masalah dalam teori tachyon, kerana dari sudut pandangan kemungkinan pelanggaran sebab musabab, mereka mengganggu kestabilan vakum. Mungkin boleh memintas masalah ini, tetapi tidak mungkin menggunakan tachyon dalam mesej SS yang kami perlukan.
Sebenarnya kebanyakan ahli fizik menganggap tachyon sebagai tanda kesilapan dalam teori bidang mereka, dan minat terhadapnya di kalangan masyarakat umum didorong terutamanya oleh fiksyen sains (lihat artikel Tachyon).
20. Lubang cacing
Kemungkinan yang paling terkenal untuk perjalanan STS adalah penggunaan lubang cacing. Lubang cacing ialah terowong dalam ruang-masa yang menghubungkan satu tempat di Alam Semesta ke tempat lain. Anda boleh menggunakannya untuk bergerak antara titik-titik ini lebih cepat daripada cahaya akan melalui laluan biasa. Lubang cacing adalah fenomena klasik relativiti am, tetapi untuk menciptanya, anda perlu menukar topologi ruang-masa. Kemungkinan ini mungkin terkandung dalam teori graviti kuantum.
Untuk memastikan lubang cacing terbuka, sejumlah besar tenaga negatif diperlukan. Misner Dan Thorne mencadangkan bahawa kesan Casimir berskala besar boleh digunakan untuk menjana tenaga negatif, dan Visser mencadangkan penyelesaian menggunakan rentetan kosmik. Semua idea ini sangat spekulatif dan mungkin tidak realistik. Bahan luar biasa dengan tenaga negatif mungkin tidak wujud dalam bentuk yang diperlukan untuk fenomena tersebut.
Thorne mendapati bahawa jika lubang cacing boleh dibuat, ia boleh digunakan untuk mencipta gelung masa tertutup yang akan membolehkan perjalanan masa. Ia juga telah dicadangkan bahawa tafsiran multivariate mekanik kuantum menunjukkan bahawa perjalanan masa tidak akan menyebabkan sebarang paradoks, dan peristiwa itu hanya akan terungkap secara berbeza apabila anda kembali ke masa lalu. Hawking mengatakan bahawa lubang cacing mungkin tidak stabil dan oleh itu tidak praktikal. Tetapi topik itu sendiri kekal sebagai kawasan yang bermanfaat eksperimen pemikiran, membolehkan kita memahami apa yang mungkin dan apa yang tidak mungkin berdasarkan undang-undang fizik yang diketahui dan diandaikan.
rujuk:
W. G. Morris dan K. S. Thorne, Jurnal Fizik Amerika 56
,
395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne, dan U. Yurtsever, Phys. Rev. surat 61
, 1446-9 (1988)
Matt Visser, Kajian Fizikal D39, 3182-4 (1989)
lihat juga "Black Hole and Time Warps" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Untuk penjelasan tentang multiverse lihat, "The Fabric of Reality" David Deutsch, Penguin Press.
21. Enjin deformer
[Saya tidak tahu bagaimana untuk menterjemah ini! Dalam pemacu meledingkan asal. - lebih kurang penterjemah;
diterjemahkan secara analogi dengan artikel mengenai Membran]
Meledingkan boleh menjadi mekanisme untuk memutar ruang masa supaya objek boleh bergerak lebih cepat daripada cahaya. Miguel Alcabière menjadi terkenal kerana membangunkan geometri yang menggambarkan deformer sedemikian. Herotan ruang-masa membolehkan objek bergerak lebih laju daripada cahaya sambil kekal pada lengkung seperti masa. Halangan adalah sama seperti semasa membuat lubang cacing. Untuk mencipta deformer, anda memerlukan bahan dengan ketumpatan tenaga negatif dan. Walaupun bahan sedemikian mungkin, masih tidak jelas bagaimana ia boleh diperolehi dan cara menggunakannya untuk membuat deformer berfungsi.
ruj M. Alcubierre, Graviti Klasik dan Kuantum, 11
, L73-L77, (1994)
Kesimpulan
Pertama sekali, ternyata sukar untuk mentakrifkan secara umum maksud perjalanan SS dan mesej SS. Banyak perkara, seperti bayang-bayang, melakukan pergerakan CC, tetapi dengan cara yang tidak boleh digunakan, sebagai contoh, untuk menghantar maklumat. Tetapi terdapat juga kemungkinan serius untuk pergerakan SS sebenar, yang dicadangkan dalam sastera saintifik, tetapi pelaksanaannya masih belum dapat dilakukan secara teknikal. Prinsip ketidakpastian Heisenberg menjadikannya mustahil untuk menggunakan gerakan SS yang jelas dalam mekanik kuantum. Terdapat potensi cara pendorongan SS dalam relativiti am, tetapi ia mungkin tidak boleh digunakan. Nampaknya sangat tidak mungkin pada masa hadapan yang boleh dijangka, atau sama sekali, teknologi akan mampu mencipta kapal angkasa dengan pendorongan SS, tetapi adalah pelik bahawa fizik teori, seperti yang kita ketahui sekarang, tidak menutup pintu kepada pendorong SS untuk selamanya. Pergerakan SS dalam gaya novel fiksyen sains nampaknya sama sekali mustahil. Soalan yang menarik untuk ahli fizik ialah: "mengapa, sebenarnya, ini mustahil, dan apa yang boleh dipelajari daripada ini?"